Сравнение технологий GPON и EPON

Технология пассивных оптических сетей (PON) стала доступной с 90-х годов XX века. Значительный этап развития выпал на начало 2000-х годов и предполагал разработку решений относительно гигабитных скоростей передачи данных, предназначенных для предоставления услуг Ethernet и IР-услуг. Компаниями IЕЕЕ и ITU-I были разработаны два абсолютных разных решения: EPON и GPON. B то время как общие концепции (работа PON, структура ODN, план длин волн и сфера применения) EPON и GPON аналогичны, их принципы работы значительно отличаются, как и функции и услуги, которые они поддерживают. Технология EPON — это решение, присущее сети Ethernet, которое по-новому использует функционал, совместимость и выполнение протокола Ethernet, тогда как технология GPON по-новому использует методы SONET/SDH и GFP (основной протокол кадрирования) для обеспечения транспортировки в пределах сети Ethernet.

Введение

Органы стандартизации IЕЕЕ и ITU—I нa протяжении последних пятнадцати лет занимаются вопросами стандартизации технологии PON. Технологии EPON и 10GEPON подпадают под последние утвержденные стандарты IEEE, a технология GPON — под последний утвержденный стандарт ITU-I. Ha рисунке 1 показаны ключевые исторические этапы развития:

В основе первых предложений относительно технологии PON в начале—середине 90—х годов ХХ века лежало АТМ—кадрирование (APON, BPON). C последующим стремительным развитием трафика на основе сетей Internet и Intranet системы BPON нa основе АТМ показали свою неэффективность, так как большинство трафиков через сеть доступа состояло из IР—трафика переменной длины. Это стало катализатором для разработки технологии PON (EPON) исключительно на основе Ethernet, используя преимущество появления технологии Gigabit Ethernet (GbE) с определением параметров QOS, развитием стандартов (VLAN, приоритизация, ОАМ) и экономичной интеграции в оборудование Ethernet. Разработка стандарта гигабитной пассивной оптической сети (GPON) началась после того, как предложения компаний группы FSAN (Quantum Bridge et.al) для объединенного решения гигабитного АТМ и Ethernet PON нe смогли получить поддержку рабочих групп IЕЕЕ 802.3ah и было принято решение продолжить эту работу в ITU.

B основе обеих технологий EPON и GPON в большей степени лежит G.983, стандарт GPON, в части общей концепции (работа PON, структура ODN, план длин волн и сфера применения). Также обе технологии разработаны с целью лучшей адаптации IР-кадров переменной длины при пропускной способности линии в гигабитах. При этом существуют значительные различия в подходах, используемых для каждой из технологий.

Принципы построения протокола

Технология EPON основана на технологии IЕЕЕ 802.3 Ethernet, модифицированной с целью поддержки соединения «точка-многоточка». Транспортировка трафика Ethernet осуществляется по умолчанию, все функции Ethernet полностью поддерживаются. GPON, с другой стороны, является протоколом транспортного уровня, в котором услуги Ethernet адаптированы к интерфейсам OLT и ONT Ethernet и осуществляются на структуре независимого синхронного кадра из конца в конец.

Кадрирование / Адаптация сервиса

Уровень сходимости передачи GPON (GTC) отвечает за преобразование интерфейсов отдельных сервисов (например, Ethernet) в общую, независимую от услуги структуру.

Ethernet-кадры инкапсулируютоя в кадры GEM (GTC Incapsulation method), которые имеют GFP-подобный формат (Generic Frame Procedure ITU G.7401). Кадры GEM, в свою очередь, инкапсулируются в SONET/SDH—подобный кадр GTC (как в восходящем, так и в нисходящем направлении), который синхронно передается каждые 125 мс по сети PON.

В противоположность этому, EPON переносит Ethernet-кадры на PON без каких-либо изменений или модификаций. Нет необходимости в дополнительной адаптации и инкапсуляции.

Базовый принцип работы

Как показано выше, EPON представляет собой архитектуру сетей Ethernet IEEE. Ee управление доступом к среде (MAC) в нисходящем направлении работает аналогично стандарту GbE MAC, B котором осуществляется вещание всех трафиков Ethernet. Оптические разветвители используются для пассивного распределения одного нисходящего сигнала по каждой из конечных точек ONT.

Вещание в нисходящем направлении

Все данные передаются во все блоки ONU, a адрес ONU управляет данными в нисходящем направлении.

IЕЕЕ изменила восходящее направление Ethernet MAC для обеспечения поддержки программирования множественного доступа с временным разделением (TDMA). Восходящая полоса пропускания Ethernet (до кодировки 8B/10B) программируется для использования каждой конечной точкой ONT c помощью алгоритма TDMA, управляемого OLT. Для каждой конечной точки доступна вся полоса пропускания на протяжени заданного времени. Поставщиками внедряются алгоритмы динамического распределения полосы пропускания (DBA), что позволяет динамически изменить распределение по каждому блоку ONU на основе объема трафика, на который установлена очередность отправки данных.

Работа TDMA в восходящем направлении

Как показано на Рисунке 7, GPON представляет собой архитектуру сети транспортировки сообщений. Ее управление доступом к среде (MAC) в нисходящем направлении осуществляется c SONET с кадрами GFP, при этом она работает на базе заданного времени в 125 мс, также используется мультиплексирование с временным разделением (TDM) для разделения полосы пропускания к 32 ONT. Так как она синхронна по своей природе, при наличии асинхронного Ethernet—трафика вставляются пустые символы.

Оптические разветвители пассивно разделяют один нисходящий сигнал по каждой из конечных точек 32 ONU.

B восходящем направлении используется программирование множественного доступа с временным разделением (TDMA), a входящий Ethernet-трафик снова инкапсулируется и преобразовывается в синхронный кадрированный сигнал 1,2 Гб/с таким же образом, как и в нисходящем направлении.

Иерархия услуги

Taк как сеть PON по своей природе является Р2М2‚ OLT должно иметь уникальную способность определения и установления связи c каждым ONT. B технологии EPON используется идентификатор логического соединения (LLID), что обеспечивает уникальную адресацию к ONT. Кроме того, VLAN_ID используются для дальнейшей адресации c целью предоставления услуг на базе VLAN. B нисходящем направлении OLT прикрепляет LLID к начальной части кадра для определения ONT пункта назначения.

В технологии GPON между OLT и ONT создается один или более трафик-контейнеров (T-CONT). Такой T-CONT обеспечивает эмуляцию двухточечного виртуального соединения между OLT и ONT, a также последующее мультиплексирование TDM полосы пропускання в нисходящем направлении между трафик-контейнерами (T-CONT). B пределах каждого трафик-контейнера (T—CONT) может существовать множество идентификаторов порта (Port ID) для определения отдельных портов ONT в пределах одного ONT.

Распределение полосы пропускания

Использование в восходящем направлении требует программирования c помощью OLT каждой передачи ONT во избежание возникновения конфликтов. В принципе, каждый ONT получает допуск с указанием времени начала и окончания передачи. B технологии GPON допуски программируются по T-CONT; a в EPON — по LLID. B случае GPON допуски передаются в заголовке кадра в нисходящем направлении. B поле преобразования в рамках заголовка указывается конкретный T-CONT, время Запуска и Окончания (Alloc+ID+Start+End) для каждого предоставленного окна в восходящем направлении (временной интервал).

В технологии EPON сообщения o допуске отправляются по LLID в виде отдельных клиентских кадров управления MAC (GATE), промежуточных постоянных Ethernet-кадров. B каждом допуске указывается (LLID+Start+Length).

Динамическое распределение полосы пропускания (DBA)

Как GPON, так и EPON дополнительно поддерживают функцию DBA. Эта функция используется для изменения в реальном времени распределения временного интервала к ONT, которое увеличивает пропускную способность как функция запроса восходящего направления.

Управляющие сообщения

В технологии GPON существует три разных типа управляющих сообщений: OMCI, OAM и PLOAM. Функции этих сообщений приведены в таблице ниже.

В противоположность этому, сеть EPON использует сообщения OAM IEEE 802.3ah для инициализации, локализации ошибок и контроля производительности вместе с пакетами SNMP через IETF MIB. Дополнительными управляющими сообщениями являются сообщения МРСР GATE/REPORT для предоставления допуска BW.

Определение и активация ONT

Как EPON, так и GPON поддерживают механизмы автоматического определения и активации ONT. Сеть GPON использует серийный номер (SN) для аутентификации ONT. Существует два метода активации ONT:

- Метод А - Серийный номер ONT заблаговременно регистрируется оператором на OLT

- Метод В — Серийный номер ONT He регистрируется оператором/системой обмена электронными сообщениями на OLT.

Метод B требует использования механизма автоматического определения серийного номера.

В случае определения нового ONT ему назначается идентификатор (ONT-ID), и ONT активируется.

Как правило, сеть EPON нe обеспечивает аутентификацию по серийному номеру, a вместо этого использует МАС-адрес ONT для назначения LLID.

Однако, в некоторых специфических реализациях сети EPON производителя дополнительно используется серийный номер ONT.

Кодирование

Как EPON, так и GPON поддерживают кодирование AES-128bit. B GPON обмен ключевыми управляющими сообщениями осуществляется через PLOAM-ячейки. По запросу OLT ONT направляет ключ три раза. При получении OLT переключает бит в заголовок GTC для инициализации переключателя по ключу. B EPON обмен сообщениями управления ключами осуществляется через VLAN управления либо через сообщения OAM IEEE 802.3ah в зависимости от варианта реализации производителя.

Полоса пропускания и эффективность

Наверное самым значимым заявлением производителей GPON является тот, что данная сеть имеет скорость 2,448 Гб/с в нисходящем направлении и 1,24416 Гб/с в восходящем направлении, тогда как EPON имеет симметрично 1,25 Гб/с (1,0 Гб/с до кодирования 8B/10B). Эффективность необходимо учитывать в обоих направлениях сети PON. Каждый РОN-протокол вводит свою строку в каком-либо из направлений. Общая эффективность сети PON - это функция инкапсуляции протокола и эффективность программирования. В нисходящем направлении строка протокола должна быть незначительной. В восходящем направлении общая строка программирования в EPON составляет от 2,92% до 9,67%. Другими словами, эффективность сети EPON составляет от 90,33% до 97,08% по сравнению с двухточечным соединением GbE. B нисходящем направлении эффективность сети EPON достигает 97,13% — 98,92% от эффективности двухточечного соединения 1 GbE. При этом сеть GPON в режиме GEM может достичь приблизительно 95% эффективности своей используемой полосы пропускания. Следует отметить, что сеть EPON дополнительно может работать в так называемом «турборежиме». В турборежиме скорость передачи данных по сети EPON в ниоходящем награвлении удваивается до 2,5 Гб/с, таким образом, обеспечивая производительность полосы пропускания, сопоставимую с сетью GPON.

Так как сеть GPON лишь определяет транспортировку Ethernet-кадров, функциональные настройки Ethernet по умолчанию отсутствуют. Коммутаторы сети Ethernet должны быть установлены либо спереди, либо непосредственно в GPON OLT и ONT, чтобы обеспечить дополнительные возможности сети Ethernet. Поэтому возможности специфичны для каждого варианта реализации производителя.

Сервисная поддержка Ethernet
Функции Ethernet

Так как сеть EPON является стандартом Ethernet IEEE и использует коммутаторы Ethernet в микросхемах, она может по умолчанию поддерживать все функции Ethernet, присущие сериям 802.1 и 802.3, включая теги VLAN, приоритизацию, ОАМ и т.д. Все Ethernet-услуги можно по умолчанию получать способом, аналогичным тому, который используется сегодня для коммутируемой сети Ethernet.

Мостовое соединение

Так как кросс-соединение на OLT GPON не обеспечивается коммутатором Ethernet, GPON не может поддерживать стандартное мостовое соединение Ethernet. Таким образом, чтобы обеспечить поддержку стандартного мостового соединения, потребуется коммутатор Ethernet в восходящем направлении кросс—соединения OLT либо в пункте агрегирования на том же шасси, либо извне.

Прозрачные услуги сети LAN (TLS)

TLS достигается путем туннелирования сети VLAN нa коммутаторах Ethernet. B случае их отсутствия на шасси OLT GPON потребуется использование внешних коммутаторов Ethernet, чтобы достичь того же результата. Кросс-соединение GEM не может проверять сети VLAN, чтобы принять соответствующее решение переадресации.

Вывод

Как технология EPON, так и технология GPON признали необходимость дальнейшего развития сети PON, чтобы сделать ее решением гигабитных скоростей передачи данных для транспортировки Ethernet— и IР—трафиков. Варианты их реализации, учитывая использование общей оптической инфраструктуры, очень разные. Технология EPON расширила возможность исходной сети Ethernet с целью поддержки архитектуры PON P2MP, тогда как технология GPON направлена нa методы, аналогичные SONET/SDH c GFP—кадрами, что позволяет создать эффективный транспортный механизм сети Ethernet.